毕业设计基于PLC的自动售货机设计

1、本论文设计的是基于西门子s7-200系列plc构成的自动售货机监控系统，本文 阐述了自动售货机的来源与发展，以及它在国内外发展的现状，对自动售货机的方案 进行了论证，介绍了 plc的基本组成、特点以及工作原理，对基于西门子s7-200系 列plc构成的自动售货机系统整体设计过程进行较为细致的论述。文中详尽地介绍了自动售货机的各硬件组成，并完成了 plc外部接线图。在plc 梯形图的编写时，文中釆用的是西门子plc梯形图专用编译软件step7来进行编写。 介绍了自动售货机的基本原理以及工作流程，然后以一次交易过程为例，把交易过程 分为几个程序块，然后分别对程序块进行编程。具体说明了可编程序控制器

2、在自动售 货机中的作用。程序涉及到了自动售货机工作的绝大部分过程。利用plc控制的自动 售货机提高了系统的稳定性，保证自动售货机能够长期稳定运行。关键词：plc；顺序功能图；梯形图；i/o点的分配目录摘要i第1章绪论31.1自动售货机的理论背景与实际意义31.2自动售货机设计的主要内容31.3自动售货机设计的基本思路4第2章plc的概述52.1 plc的定义52.2 plc的简介52.3 plc的工作原理52.4 plc的循环扫描工作42.5 plc的硬件组成52.6 plc的编程语言62.7 plc的特点6第3章自动售货机的设计83自动售货机设计软元件83定时器83.2自动售货机的基本功能9

3、3.3自动售货机i/o点的分配103.4顺序功能图(sfc) 113.4.1什么是顺序功能图(sfc) 113.4.2所选择的顺序功能图(sfc) 113.5梯形图(lad)123.5.2自动售货机设计的梯形图（lad） 133.6自动售货机的相关说明213.7自动售货机的外部接线图213.8自动售货机仿真22致谢25参考文献26第1章绪论1.1自动售货机的理论背景与实际意义自动售货机是一种全新的商业零售形式,20世纪70年代自日本和欧美发展起 來。它又被称为24小时营业的微型超市。在日本，70%的罐装饮料是通过自动售 货机售出的;全球著名饮料商可口可乐公司在全世界就布有50万台饮料口动售货

4、机。在中国，自动售货机1999年开始进人中国市场.如今，在机场、地铁、商场、公 园等客流较大的场所，已不难发现自动售货机的身影。从自动售货机的发展趋势来看，它的出现是由于劳动密集型的产业构造向技 术密集型社会转变的产物。大量生产、大量消费以及消费模式和销售环境的变化, 要求出现新的流通渠道；而相对的超市、百货购物中心等新的流通渠道的产生， 人工费用也不断上升;再加上场地的局限性以及购物的便利性等这些因素的制约, 无人自动售货机作为一种必须的机器便应运而生了它的售货领域非常广泛，是发达国家商品零售的一种主要方式。近几年，自 动售货机逐渐被越来越多的消费者所接受。但曲于售货机分布零散、范闱广阔的

5、特点，自动售货机在为消费者带来方便的同时，也为经营者在监控、管理、维护 等方面带来很大的不便。目前售货机运行的各种情况都需要由人工判断，包括缺 货、缺零钱、币箱己满、售货机机械故障等，经营者普遍采用人工定时巡回视察 的管理办法，既费时费力，又无法及时准确获取自动售货机状态报告，给经营者 增加了管理成本和难度，也有可能给消费者的正常消费造成不便。木系统的设计和实现町以使自动售货机的经营者可以根据网络统计的销售状 况进行商品销售状况分析，预测商品的销售走势，确定合理的采购和配送策略， 以期获得最高的投资回报率。同时售货机的一些故障信息和警报信息可以实时的 传送到相应运营人员，从而可以在第一时间内发

6、现并解决问题。1.2自动售货机设计的主要内容1. 此自动售货机可以投入五角、一元的硬币；2. 如果顾客投入硬币在限定的时间内（2分钟）不按任何按键，口动售货机将 退还所投硬币；3. 当投入硬币的总值等于或才超过物品价值时，对应的物品指示灯亮绿灯；4. 当物品对应的指示灯亮绿灯时，按下按下和应的按键，和应的物品排出， 同时指示灯绿灯闪烁；5. 如果顾客投入硬币总值超过所选物品的价值时，自动售货机会口动将余款 退还顾客；6. 当顾客成功购买完一件物品后20秒无操作，自动售货机会自动将余款退还 顾客；7. 如果顾客投入硬币后又不想买物品，按下退款按键，自动售货机会自动将 余款退还顾客；8找零时顾客可

7、选择退一元的还是五角的；9.当物品不足时，对应的物品指示灯亮红灯，顾客按下相应的按键无反应（不 出物品，不减余额），并向总部发送所缺物品。1.3自动售货机设计的基本思路本次设计的题目是自动售货机，主要是应用西门子s7-200型plc的梯形图 来设计控制程序，并简单介绍和关的知识，如：plc的定义、plc的编程语言、 plc的硬件组成等。根据设计内容和控制要求画出顺序功能图和梯形图，再根据 plc的相关知识设计出它的外部接线图，结合梯形图和外部接线图分析说明该设 计的控制原理过程。本次设计的重要部分是第三章的设计部分，即自动售货机梯形图的设计。首 先就得根据设计内容和控制耍求准确画出它的顺序功能

8、图，再根据所画出的顺序 功能图准确设计出它的梯形图，这样才能真正理解木次智能抢答器的控制原理。第2章plc的概述2.1 plc的定义plc是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采 用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、 计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各 种类型的机械或生产过程。plc及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统 形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。2.2 plc的简介plc是以cpu为核心，综合了计算机技术和通信技术发展起来的一种通用 的工业自动控制装置，是现代工业控制的三大支柱

9、（plc、机器人和cad/cam） 之一。目前，世界上生产plc的主耍厂家有65个，其中最有名气的厂家在日本、 美国和德国。口本的几个厂家为三菱、富士。口立、东芝、横河、立石、光洋、 夏普等公司。美国的几个厂家为德州食品公司、通用电器公司、歌德公司、数 字设备公司等。还有德国的西门子，荷兰的飞利浦，香港的鹰达等公司也是很 有名气的。日本三菱电机公司（mitsubishi）于1971年开始研制plc,目前主要有 f1,f2,fx,k,a等十儿个系列儿十种产品，在我国（主要是华东和华南地区）的 工业控制领域具有一定的市场占有率。2.3 plc的工作原理plc的工作原理与计算机的工作原理基本是一致的

10、，可以简单地表述为在系 统程序的管理下，通过运行应用程序完成用户任务。plc通电后，首先对硬件 和软件作一些初始化操作，初始化反复不停地分阶段处理各种不同的任务（见 图2-1 ）o但是plc也有它自己的特点，plc在确定了工作任务，装入了专用程 序后成为一种专用机，它采用循环扫描工作方式，系统工作任务管理及应用程 序执行都是用循环扫描方式完成的。读取输入执行用户程序处理通信要求自诊断检查改写输岀run状体1读取输入处理通信要求自诊断检查改写输出stop状体图21各阶段处理任务2. 4 plc的循环扫描工作对每个程序，cpu从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程 序循环扫描，如果无跳转指

11、令，则从则从第一条指令开始逐条顺序执行用户 程序，直至遇到结束符后又返冋第一条指令，如此周而复始不断循环，每一 个循环称为一个扫描周期。plc的扫描全过程如图2-2所示。（1）输入刷新阶段在输入刷新阶段，cpu扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态 寄存器。完成后关闭输入端口，转入程序执行阶段。（2）程序执行阶段在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐条执行， 并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。（3）输出刷新阶段当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器屮的内容，依次送到输出锁 存电路，并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成 pl

12、c的实际输出。2.5 plc的硬件组成plc的硬件主要由中央处理器（cpu）、存储器、输入单元、输岀单元、通 信接口、扩展接口、电源等儿部分组成。其中，cpu是plc的核心；输入单元/ 输出单元是cpu与现场输入/输出设备之间的接口电路；通信接口用于连接编程 器、上位计算机等外部设备，其硬件构成图如图23。图2-3 plc硬件结构图2.6 plc的编程语言plc为用户提供了完善的编程语言来满足编制用户程序要求。它提供的编程 语言通常有以下5种：梯形图（lad）、语句表（stl）、顺序功能图（sfc）、功 能块图（fbd）和结构文本（st）o2. 7 plc的特点（1）抗干扰能力强，可靠性好i/

13、o系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、 防尘、抗震等都有周到的考虑。（2）控制系统结构简单，通用性强plc及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的 控制系统。（3）编程方便，易于使用plc程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。（4）功能完善在plc内部具有许多控制功能，诸如时序、计算机、主控继电器以及移位 寄存器、屮间寄存器等。（5）设计、施工、调试、的周期短plc采用模块化积木式结构，故仅需按性能、容量等选用组装，因而缩短 了设计周期，使设计和施工可同时进行。（6）体积小，维护操作方便plc体积小，质量轻，便于安装。（7）易于实现网

14、络化plc可连成功能很强的网络系统。（8）可实现三电一体化plc将电控（逻辑控制）、电仪（过程控制）和电结（运动控制）这三电集于一体。第3章自动售货机的设计3.1自动售货机设计软元件3.1.1定时器定时器是plc中重要的编程元件，是累计时间增量的内部器件。定时器的 工作过程与继电器控制系统的时间继电器基本相同，但它没有瞬动触点，失电时， 常闭触点闭合，常开触点打开；定时器得电时，常闭触点打开，常开触点闭合。定 时器的当前值、设定值均为10位有符号整数（int）,允许的最大值为32767o定 时器指令表见表31。表31定时器指令语句描述tontxxx, pt接通延时定时器toftxxx, pt断

15、开延时定时器tonrtxxx, pt保持型接通延时定吋器bitimout起动间隔定时器cit1min,out计算间隔定时器3.1.2数学运算指令在梯形图中，整数、双整数与浮点数的加、减、乘、除指令（见表3-2）分别执行下列运算：in1+in2=out, iniin2=out, in1*in2=out, inl/in2=outo表3-2加减乘除指令梯形图语句表描述梯形图语句表描述add_i+1 intuout整数加 法div_di/dinti,out双整数除 法sub_i-iint1,out整数减 法add_r+rinti,out实数加法mul_i*1inti,out整数乘 法sub_rrint

16、i,out实数减法d1vj/iinti,out整数除 法mul_r*rinti,out实数乘法add.di+dinti,out双整数 加法div_r/rinti,out实数除法sub_didinti,out双整数 减法mulmul inti,out整数乘法 产生双整 数mul_di*dinti,out双整数 乘法divdivinti,out带余数的 整数除法在语句表中，整数、双整数与浮点数的加、减、乘、除指令分别执行下列运算:in 1+out =out, outin1=out, ini* out 二out, out/in2=0uto3.2自动售货机的基本功能自动售货机的各种动作功能和控制要求，

17、给出了完整的自动售货机操作规程（如 图3-1）,并介绍了自动售货机运行系统屮所包括的人工操作步骤。在实际生活中，我们见到的售货机可以 销售一些简单的日用品，如饮料、常用 药品和小的生活保健用品等。售货机的 基本功能就是对投入的货币进行运算， 并根据货币数值判断是否能够购买某种 商品，并作出相应的反应。例如：售货 机屮有2种商品，a商品价格为0.5元, b商品为1元。现投入1个1元硬币， 当投入的货币超过a商品的价格时，a 商品的选择按钮处应有变化，提示可以 购买，b商品也提示。当按下选择人商 品的价格时，售货机进行减法运算，从 投入的货币总值中减去a商品的价格同 时启动札i应的电机，提取a号商

18、品到出按下 退币 按钮初始状态投币状态下择钮按选按购买状态退币状态是否有剩 y ,余 n图3-1 口动售货机工作流程图货口。此时售货机继续进行等待外部命令，如继续交易，则同上，如果此时不再购 买而按下退币按钮，售货机则要进行退币操作，退回相应的货币，并在程序中清零, 完成此次交易。由此看来，售货机一次交易要涉及加法运算、减法运算以及在退币 时的除法运算，这是它的内部功能。还要有货币识别系统和货币的传动来实现完整的售货、退币功能。3.3自动售货机i/o点的分配输入/输出单元通常也称i/o单元或i/o模块，是plc与工业生产现场之间的连 接部件。plc通过输入接口可以检测被控对彖的各种数据，以这些

19、数据作为plc 对被控制对象进行控制的依据；同时plc又通过输出接口将处理结果送给被控制 对彖，以实现控制目的。本次智能抢答器i/o点的分配如表33所示。表33自动售货机i/o点的分配表序号定义点符号功能110.0sb1找零按钮210.1sb2食品五角按钮310.2sb3食品一元按钮410.3sb4饮料一元按钮510.4sb5饮料二元按钮610.5sb6日用二元按钮710.6sb7日用三元按钮812.0sb8投五角硬币912.1sb9投一元硬币1012.5sb10找零五角1112.6sb11找零一元1213.1sb12食品五角行程开关1313.2sb13食品一元行程开关1413.3sb14饮料

20、一元行程开关1513.4sb15饮料二元行程开关1613.5sb16日用二元行程开关1713.6sb17口用三元行程开关18q3.1食品五角红灯（物品售充）19q3.2食品一兀红灯（物品售完）20q3.3饮料一元红灯（物品售完）21q3.4饮料二元红灯（物品售完）22q3.5口用二元红灯（物品售完）23q3.6日用三元红灯（物品售完）24q0.0找零25q0.1出食品五角26q0.2出食品一元27q0.3出饮料一元28q0.4出饮料二元29q0.5出日用二元30q0.6出日用三元31q2.1食品五角绿灯（可以购买）32q2.2食品一元绿灯（可以购买）33q2.3饮料一元绿灯（可以购买）34q2

21、.4饮料二元绿灯（可以购买）35q2.5日用二元绿灯（可以购买）36q2.6日用三元绿灯（可以购买）3.4顺序功能图（sfc） 3.4.1什么是顺序功能图（sfc）顺序功能图是一种位于其他编程语言 之上的图形语言，使用它可以对具有并发、 选择等复杂结构的系统进行编程。顺序功 能图提供了一种组织程序的图形方法，在 顺序功能图中允许和别的语言编程的程序 嵌套。顺序功能图由步、转换和动作三种主要元件组成，如图32所示。可以用顺图32顺序功能图序功能图来描述系统的功能，根据它可以很容易地设计出梯形图程序。3.4.2所选择的顺序功能图（sfc）由于顺序功能图（sfc）有五种基本结构：顺序结构、选择性分支

22、结构、并发 性分支结构、循环结构、复合结构。本次自动售货机的sfc图，根据控制要求选用 选择性分支结构利并发性分之结构。因为选择性分支结构是一个控制流可以转 入多个可能的控制流中的某一个且不允许多路分支同时执行。具体进入哪个分支， 取决于控制流前面的转移条件哪一个为真。而并发性分之结构是一个工作步执行完 后，需要同时开启若干条分之，并采用双水平线相连且要有一个公共转移条件，这 两种顺序功能图结构符合本次口动售货机的控制要求，所以选择这两种结构。木次自动售货机的sfc图如下图3-3所示:图3-3自动售货机顺序功能图3.5梯形图（lad）3.5.1什么是梯形图（lad）梯形图是用的最多的plc图形

23、编程语言。梯形图语言是在传统电器控制系统 中常用的接触器、继电器等图形表达符号的基础上演变而来的。它与电器控制线路 图相似，如图34所示。继承了传统电器控制逻辑中使用的框架结构、逻辑运算方 式和输入输出形式，具有形象、直观、实用的特点。因此，这种编程语言为广大电 气技术人员所熟知，是应用最广泛的plc的编程语言，是plc的第一编程语言。ab图3-4传统继电器控制线路图和plc梯形图a传统继电器控制线路图b plc梯形图在梯形图中，有两根竖直的直线，被称为母线，现在很多plc只保留了左边 的母线，而把右边的母线略去不写。在梯形图中引入了 “能流”的概念。左边的母 线就如电源的“正极”，而右边的母

24、线就如电源的“负极”。如果有“能流”从左 至右流向线圈，则线圈被激励。如果没有能流，则线圈未被激励，“能流”在任何 时刻都不会通过接点自右向左流。3.5.2自动售货机设计的梯形图（lad）本此设计自动售货机主要销售食品、饮料、口用三大类，而食品有五角和一元, 饮料有一元和二元，日用有二元和三元。本次自动售货机的梯形图如下所示：冋络1自动售货机控制系统五角信号到则加512.0i hadd_dieneno5in1outvd4-in2-vd4冋络2一元信号到则加10add.dieneno+10- in1out -vd4vd4-in2网络3鑫蠶幣i黑蠶论五阿'余咧并崎五角'桃停止.当无

25、軀五歸论vd4t3713.1tt5q0.1q0.1冋络4役品五角闪烁控制q0.1t56t55iintoni10-pt100 ms冋络5食品五角闪烁控制t55t56inton10-pt100 msm0.6)冋络6当余颔大于或等于五角时如没按下食品五角按键，则倉品五角绿灯长亮。如在岀食品五角，则绿灯闪烁.当无食 品五鬲时绿灯不壳不忖烁m0.6q0.113.1q2.15冋络7i当无食品五角时，食品五角红灯珥'13.1q3.1ii()陰豔鬃蠢黔豔r 4元沁余叭，并岀仔元，桝停止当无件如代vd4>=d10q0.210.2t38i i13.2q02冋络9食品1元闪烁控制q0.2t54t53i

26、ntonpt100 ms10-冋络10t53食品一元闪烁控制t54inton10-pt100 msm0.5()冋络11詮黠務霭嬲隔论品元绿灯长武如在出品元'则绿灯闪炼当无食m0.5q0.213.210q2.2)网络12当无食品一元时j食品i元红灯壳13.2q3.2冋络14饮料一元闪烁控制q0.3t52inton10-pt100 mst51冋络15饮料一元闪烁控制t51inton10-pt100 mst52m0.4()网络16詮黠務黯软如窗饮料饮一元绿灯长羔如在岀饮料一元规绿灯啄当无饮m0.4q0.3i3.3q2.310冋络17当无饮料一元时，饮料一元红灯壳i3.3q3.3t i()阿络

27、19饮料二元闪烁控制q0.4t50t49intonpt100 ms10-网络20饮料二元闪烁控制t49t501|inton10- pt 100 msm0.3t )阿络21当余额大于或等于二元时，如没按下饮料二元按键，则饮料二元绿灯长壳.如在岀饮料二元'则绿灯闪烁.当无饮 料二元时绿灯不壳不闪烁冋络22当无诙料二元时，诙料二元红灯壳13.4q3.4iic )情饕勰鸞讓需聶日用二元论余咧'并岀日用二元'漱后停止。当无日用二嗣按荫105i、d1 / 111 ' u11 1vd42013.5,iq0.5(q0.5inton80-pt100 ms1 d 1sub_dien

28、enovd4-in1out20-in2-vd4网络24日用二元闪烁控制q0.5t48t47iintoni10-pt100 ms冋络25t47日用二元闪烁控制t48inton10-pt100 m$m0.2()冋络26昭黠3w蓊黔娴时日用二元按"日用二元绿灯长垂如在岀日用二元规绿灯闪烁。当无日m0.2q0.513.5q2.520冋络27当无日用二元时，日用二元红灯亮i3.5q3.5 )龍鬆貯覆勰豬蠶日用三元逾余磁込并出日用三元'当无日用三元时按丽vd41、di106i it42i ，i13.6i > i1亠11 11 / 11 / 130q0.611q0.6冋络29日用三元

29、闪烁控制q0.6t46t45iinton110-pt100 ms阿络30日用三元闪烁控制t45t46m0.1inton10-pt100 m$冋络31|当余额大于或等于三元时，如没按下日用三元按键，则日用三元绿灯长亮。如在出日用三元，则绿灯闪烁。当日用 i三元时绿灯不亮不闪烁m0.1q0.6i3.6q2630网络32当无日用三元时，日用三元红灯壳i3.6q3.61 )ii / iii| , i >i1 > iintond | /1| / i11| / ii /1 | 01000-pt100 m$10.1i0.2i0.3i0.4i0.6vd4i0.5t44二分钟无操作计时ms 34i无

30、人總他t44i101io. 2111111111_t38t37ivd4>dibt43inton200-pt100 msm1 0网络35无操作找零灯壳vd4q0.0>d0t43i iiii >diiii ii iiiiii iq0.0vd4i2.50sub_dienenoin1outin2-vd4vd4-5-冋络37i iii|d|iiii iiiiiiq0.0vd412.6enenoin1outin2sub divd4-vd43.6自动售货机的相关说明上面梯形图中add_di双整数加法当投入五角时加5投入1元是加10, sub.di 是双整数减法当成功购买物品时就减去物品对应

31、的数；t37t56表示通电延时定时 器，按下物品按钮时t37t42延时8秒，无操作时t43启动计时20秒，t44与t43 配合组成投币2分钟无操作找零，t46-t56两两配合形成闪烁电路。出食晶页角出食品一元出饮料一元食品页角按钮食品一元按机饮料一元按钮投币：0 00 0元余额：0 00 0元出饮料二元出日用二元出臼用三元饮料二元按钮日用二元按钮日用三元按轨找零图3-5自动售货机模拟操作面板本设计统一釆用按钮开关模拟物品选择，按钮内有绿灯和红灯分别表示可购买物 品和物品销售完；指示灯模拟物品输出及找零如图35所示。3.7自动售货机的外部接线图本次知道售货机的外部接线图如图36所示，sb2-sb

32、7为物品选择按钮，当投 入货币物品绿灯亮(q2.1q2.6),按下sb2sb7其中一个，对用的km线圈得电 电机转动出相应的物品(q0.1q0.6),当有物品销售完其行程开关断开，物品红灯 亮并同时向总部发送物晶销售完的信息；当收买物品总值低于投入总值时，可按找零 按钮sb 1选择找一元还是五角(sb10、sb11)后km1得电电机转动找零(q0.0)。找零按钮 食品五角按钮 食品一元按钮 饮料一元按钮 饮料二元按钮 日用二元按钮 日用三元按钮 投五角硬币 投一元硬币 找零五角 找零一元 食品五角行程开关 食品f行程开关 饮料一行程开关 饮料二元行程开关 日用二元行程开关 日用三元行程开关sb1 rjysb2sb3sb4 rsb5 rsb6 rrjsb7 rjtxsb8 rj?sb9sblorn- sbll sb12sb13 sb14sb15sb16sb1724v6 0 1